茹 豪，孫向?qū)?，張凱鋒，李青輝

(山西省林業(yè)和草原科學(xué)研究院，山西 太原 030012)

黃土高原地區(qū)普遍存在降水稀少、分布不均，蒸發(fā)強(qiáng)烈且蒸發(fā)量大的特點(diǎn)。黃土高原不同地區(qū)存在程度不一的土壤水分虧缺現(xiàn)象，形成了明顯的土壤干層。土壤水分虧缺嚴(yán)重影響了人工林的正常生長(zhǎng)和發(fā)育，降低了林分的生態(tài)防護(hù)效益。人工林反饋調(diào)節(jié)機(jī)制相對(duì)脆弱，當(dāng)植物生長(zhǎng)用水與環(huán)境供水之間出現(xiàn)嚴(yán)重矛盾時(shí)，易表現(xiàn)出生長(zhǎng)滯緩，甚至衰亡等現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)土壤粒徑分形維數(shù)與土壤顆粒組成、土壤水分虧缺度和補(bǔ)償度之間存在一定的相關(guān)性。因此，如果能將土壤粒徑分形維數(shù)作為衡量土壤水分虧缺度與補(bǔ)償度的指標(biāo)，可以有效減少研究的工作量，對(duì)科學(xué)評(píng)價(jià)林木生長(zhǎng)對(duì)土壤水分的消耗程度、調(diào)整林分的結(jié)構(gòu)與密度、維持林地的水量平衡具有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省臨汾市西南部的吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀(guān)測(cè)研究站，地理坐標(biāo)36°14′～36°18′N(xiāo)，110°40′～110°48′E.屬黃土高原殘?jiān)珳羡謪^(qū)，海拔950 m～1 370 m.吉縣屬于暖溫帶大陸性氣候，年均降水量576 mm，主要集中在6月至 9月。年均水面蒸發(fā)量1 733 mm，年均氣溫10 ℃，≥10 ℃的積溫3 358 ℃，最高絕對(duì)氣溫38.1 ℃，最低絕對(duì)氣溫-20.4 ℃，生長(zhǎng)季晝夜溫差6 ℃～15 ℃.光照充足，多年平均日照時(shí)數(shù)為2 565.8 h，無(wú)霜期平均為172 d.研究區(qū)大體上為自西向東走向，長(zhǎng)約 14 km，面積39 km2.土壤為褐土，黃土母質(zhì)，質(zhì)地均一。森林覆蓋率為79%，研究區(qū)上游主要為遼東櫟(QuercusLiaotungensis)、山楊(Populusdavidiana)、黑樺(Betuladahurica)、丁香(Syringaoblate)等組成的天然次生林；中游為刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabulaeformis)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)組成的人工林，均為1994年栽植，林齡20 a；下游為荒草地和農(nóng)地。

2 研究方法

2.1 土樣采集與分析

在研究區(qū)內(nèi)選取典型的刺槐林地、油松林地、側(cè)柏林地，在每個(gè)林地內(nèi)建立20 m×20 m的樣地，分別在樣地的四角及中心(共5個(gè)采樣點(diǎn))挖100 cm深的土壤剖面。將整個(gè)土壤剖面按照10 cm一層劃分為10層，在每層用土壤鏟采集5個(gè)土壤樣品，充分混合后裝入樣品袋，并標(biāo)記采樣地點(diǎn)和采樣層次。將土壤樣品在室內(nèi)攤開(kāi)陰干，去根，過(guò)2 mm篩。本文采用激光粒度儀(Microtrace S3500型)法測(cè)量土壤顆粒組成，并用土壤顆粒體積分形模型計(jì)算土壤分形維數(shù)。

(1)

式中：VRi—— 粒徑小于Ri的土壤顆?？傮w積，cm3；

VT——土壤顆粒的總體積，cm3；

Ri——某特定的粒徑,mm；

Rmax——土壤顆粒分級(jí)中最大粒徑,mm；

D——土壤顆粒的體積分形維數(shù)。

2.2 降雨量與大氣蒸發(fā)力的測(cè)定與計(jì)算

采用 HOBO自計(jì)式翻斗雨量筒(RG3-M型，測(cè)量精度0.01 mm，Onset公司，美國(guó))測(cè)定林外降雨量,采用自動(dòng)氣象站(AG1000型，Campbell公司，美國(guó))測(cè)定大氣溫度、風(fēng)速和實(shí)際日照時(shí)數(shù)與最大日照時(shí)數(shù)之比，采用修正后的彭曼公式計(jì)算大氣蒸發(fā)力。

(2)

式中：E0—— 大氣蒸發(fā)力，mm；

t——大氣溫度，℃；

n——實(shí)際日照時(shí)數(shù)，h；

N——最大日照時(shí)數(shù)，h；

V——風(fēng)速平均值，m/s.

2.3 土壤水分的測(cè)定方法

分別在刺槐林地、油松林地和側(cè)柏林地內(nèi)采用 EnviroSMART土壤水分定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Sentek公司，澳大利亞)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)土壤含水量。監(jiān)測(cè)的土壤深度為0 cm～100 cm，監(jiān)測(cè)時(shí)段選取2013年4月至2013年10月，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)間隔30 min.每個(gè)林地內(nèi)設(shè)置3個(gè)測(cè)試點(diǎn)以消除數(shù)據(jù)誤差，采用3個(gè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)值的平均值作為分析數(shù)據(jù)。各層土壤含水量的計(jì)算方法如下：

Wi=θi×Di.

(3)

式中：Wi——各層的土壤含水量，mm；

θi——各層的體積含水率，%；

Di——土層厚度，mm.

2.4 土壤水分虧缺度與補(bǔ)償度的計(jì)算方法

2013年雨季結(jié)束后，采用環(huán)刀法分別在刺槐林地、油松林地和側(cè)柏林地測(cè)定土壤田間持水量，并采用EnviroSMART土壤水分定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)計(jì)算不同林地的土壤水分虧缺度與補(bǔ)償度。

(4)

Da=Fc-Wcm.

(5)

式中：DSW——土壤水分虧缺度，%；

Da——土壤水分虧缺量，mm；

Fc——土壤田間持水量，mm；

Wcm——土壤實(shí)際含水量，mm.

(6)

ΔW=Wcm-Wcc,

(7)

Dac=Fc-Wcc.

(8)

式中：CSW——土壤水分補(bǔ)償度，%；

ΔW——雨季末土壤貯水量的增加量，mm；

Wcc——雨季初土壤實(shí)際貯水量，mm；

Wcm——雨季末土壤實(shí)際貯水量，mm；

Dac——雨季初土壤水分虧缺量，mm.

其中，(4)式既可以反映雨季前土壤水分的虧缺程度，又可以反映雨季末土壤水分虧缺的恢復(fù)程度。虧缺度為0，則表明土壤水分虧缺得以完全恢復(fù)。(6)式主要用來(lái)反映降雨對(duì)土壤水分虧缺的補(bǔ)償程度，如果雨季末土壤水分增量ΔW≤0，則土壤水分補(bǔ)償度CSW≤0，此時(shí)表示土壤水分虧缺在雨季后并未得到補(bǔ)償，甚至虧缺進(jìn)一步加劇；如果土壤水分補(bǔ)償度CSW=100%，則表明土壤水分虧缺得以完全補(bǔ)償與恢復(fù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土層深度土壤顆粒組成及其分形維數(shù)

3種林地不同土層深度下土壤顆粒組成及其對(duì)應(yīng)的土壤粒徑分形維數(shù)見(jiàn)圖 1.

由圖1可以看出，3種林地不同土層深度的土壤顆粒組成及土壤粒徑分形維數(shù)存在一定的差異。在刺槐林地內(nèi)，隨著土層深度的增加，土壤的粘粒和粉粒含量逐漸增加，砂粒含量呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，粘粒、粉粒和砂粒的體積比為6.9∶70.9∶22.2；而分形維數(shù)逐漸升高，變化范圍為2.23～2.75，均值為2.50.在油松林地和側(cè)柏林地內(nèi)，土壤各粒徑含量表現(xiàn)出與刺槐林相同的變化趨勢(shì)，油松林地內(nèi)粘粒、粉粒和砂粒的體積比為6.5∶67.8∶25.7，土壤粒徑分形維數(shù)的變化范圍為2.34～2.64，均值為2.47；側(cè)柏林地內(nèi)粘粒、粉粒和砂粒的體積比為7.4∶59.5∶33.1，土壤粒徑分形維數(shù)的變化范圍為2.29～2.53，均值為2.38.研究區(qū)在造林前植被覆蓋率低，峁坡地只有零星的荒草分布，地表裸露，表層土壤經(jīng)過(guò)多年吹蝕，基本只剩下質(zhì)地均一的土壤母質(zhì)。經(jīng)過(guò)二十年人工林的改良作用后，不同林地的土壤顆粒組成產(chǎn)生了變化。因此，不同林地的土壤粒徑分形維數(shù)也不盡相同。

圖1 3種林地不同土層土壤顆粒組成及其分形維數(shù)

3.2 不同林地土壤水分虧缺度與補(bǔ)償度分析

2013 年，研究區(qū)雨季前和雨季期的降雨量和大氣蒸發(fā)力如圖 2 表示。

圖2 雨季前與雨季期的降雨量和大氣蒸發(fā)力

研究區(qū)每年4月至6月降雨稀少，春旱嚴(yán)重。而7月至9月是雨季，降雨充沛且比較集中。由圖2可以看出，2013年雨季前4月至6月的降雨量為105.6 mm，大氣蒸發(fā)力為1 143.7 mm，大氣蒸發(fā)力是降雨量的10.8倍；而雨季降雨量為521.4 mm，大氣蒸發(fā)力為996.3 mm，大氣蒸發(fā)力僅是降雨量的1.9倍；雨季前和雨季的降雨量相差415.8 mm，大氣蒸發(fā)力相差147.4 mm.干旱少雨是該地區(qū)顯著的氣候特征，因此，雨季期降水對(duì)土壤水分的補(bǔ)充尤為重要。不同林地土壤水分虧缺度與補(bǔ)償度的對(duì)比圖見(jiàn)圖3.

圖3 不同林地土壤水分虧缺度與補(bǔ)償度

雨季前降雨不足，蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤缺水嚴(yán)重，若雨季期降雨對(duì)土壤水分沒(méi)有形成有效補(bǔ)充，林木生長(zhǎng)必然受到限制。由圖3可以看出，刺槐林地、油松林地和側(cè)柏林地的土壤水分虧缺度分別為67.09%，63.08%，66.21%，均超過(guò)63%，土壤水分的虧缺程度十分嚴(yán)重。這是由于黃土高原地區(qū)降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈的氣候原因造成的。雨季過(guò)后，土壤水分補(bǔ)償度不足，刺槐林地的土壤水分補(bǔ)償度僅4.79%，油松林地的土壤水分補(bǔ)償度為19.48%，側(cè)柏林地的土壤水分補(bǔ)償度最大，但也只有31.12%.刺槐林地、油松林地和側(cè)柏林地的土壤水分虧缺度和補(bǔ)償度相差62.3%，43.6%和35.1%，可見(jiàn)雨季降雨不能完全滿(mǎn)足對(duì)土壤水分的補(bǔ)充。2013年研究區(qū)年降水量為667.08 mm，大于年均降水量，屬于豐水年，說(shuō)明平水年和枯水年的土壤干旱程度更加嚴(yán)重。

林地土壤水分的虧缺與補(bǔ)償情況與土壤深度存在一定的關(guān)系，土壤水分虧缺度與補(bǔ)償度隨土層深度的變化情況，如圖4所示。

由圖4-a可以看出，隨著土壤深度的變化，土壤水分虧缺度的變化規(guī)律均不顯著。在不同深度的土層，3種林地的土壤水分虧缺度差別不大。出現(xiàn)這種情況是由于不同林地的土壤顆粒組成不同，導(dǎo)致土壤孔隙度不同，田間持水量和雨季前的土壤實(shí)際含水量也不同，由公式(4)計(jì)算得到的土壤水分虧缺度數(shù)值相近是極有可能的。而從圖4-b可以看到，3種林地的土壤水分補(bǔ)償度差異顯著。表層10 cm土壤受大氣層的影響較大，該層土壤的水分補(bǔ)償度數(shù)值不具有統(tǒng)計(jì)意義。隨著土壤深度的增加，刺槐林地土壤水分補(bǔ)償度逐漸增加，但是增加的幅度很??；油松林地土壤水分補(bǔ)償度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，且變化幅度較大；側(cè)柏林地土壤水分補(bǔ)償度呈波狀變化。土壤水分補(bǔ)償度在任何一個(gè)土層均表現(xiàn)為側(cè)柏林地最大，油松林地次之，刺槐林地最小。造成不同林地土壤水分虧缺度和補(bǔ)償度差異的原因可能是不同林分類(lèi)型的土壤顆粒組成不同。土壤質(zhì)地偏黏的林地在降雨初期表層土壤飽和速度較快，且下滲速度較慢，大部分降雨作為坡面徑流流失而沒(méi)有對(duì)土壤水分形成補(bǔ)充。土壤質(zhì)地偏砂的林地由于土壤孔隙度較大，土壤水分飽和速度較慢，降雨入滲較多，而徑流相對(duì)較少，降水對(duì)土壤水分的補(bǔ)充高于土壤質(zhì)地偏黏的林地。因此，土壤質(zhì)地不同的林地，其土壤水分補(bǔ)償度也不同。

圖4 3種林地不同深度土壤水分虧缺度和補(bǔ)償度

3.3 相關(guān)性分析

3種林地土壤顆粒組成與分形維數(shù)之間的相關(guān)性，如第5頁(yè)圖5所示。

由圖5可以看出，在3種林地內(nèi)，粘粒、粉粒含量均與分形維數(shù)呈線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系，砂粒含量與分形維數(shù)呈線(xiàn)性負(fù)相關(guān)關(guān)系，擬合度均較高。通過(guò)以上分析可以認(rèn)為，土壤粒徑分形維數(shù)能夠作為表征土壤顆粒組成變化的指標(biāo)，即土壤粒徑分形維數(shù)越大，土壤中粘粒和粉粒的含量越多，砂粒含量越少。采用Z-Score標(biāo)準(zhǔn)化法分別將不同土層的土壤水分虧缺度、補(bǔ)償度和土壤粒徑分形維數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，并分析土壤粒徑分形維數(shù)與土壤水分虧缺度和補(bǔ)償度的相關(guān)性，結(jié)果如第6頁(yè)圖6所示。

從圖6可以看出，在3種林地內(nèi)，土壤水分虧缺度與土壤粒徑分形維數(shù)之間無(wú)明顯的擬合曲線(xiàn)，相關(guān)度不高。而土壤水分補(bǔ)償度與土壤粒徑分形維數(shù)呈線(xiàn)性負(fù)相關(guān)關(guān)系，擬合度較高。因此，通過(guò)以上分析可以認(rèn)為土壤粒徑分形維數(shù)也能作為土壤水分補(bǔ)償度的指標(biāo)。為了確定土壤水分虧缺度和補(bǔ)償度影響因素的大小，進(jìn)行了土壤水分虧缺度和補(bǔ)償度與土壤顆粒組成、分形維數(shù)的相關(guān)性分析，如表1所示。

圖5 3種林地土壤顆粒組成與分形維數(shù)相關(guān)性分析

表1 土壤水分虧缺度和補(bǔ)償度與土壤顆粒組成及分形維數(shù)的 Pearson 相關(guān)性分析

從表1可以看出，各因素對(duì)土壤水分虧缺度的影響大小依次為砂粒含量(-0.452)>粘粒含量(0.435)>粉粒含量(0.409)>分形維數(shù)(0.317)；對(duì)土壤水分補(bǔ)償度的影響大小依次為砂粒含量(0.804)>粘粒含量(-0.783)>分形維數(shù)(-0.778)>粉粒含量(-0.612)。土壤顆粒組成與土壤水分虧缺度均呈顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，而土壤粒徑分形維數(shù)與土壤水分虧缺度之間無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系；粘粒含量、分形維數(shù)與土壤水分補(bǔ)償度均呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，砂粒含量與土壤水分虧缺度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。通過(guò)以上分析可以得出，對(duì)土壤虧缺度和補(bǔ)償度影響最大的土粒是砂粒，粘粒次之，粉粒的影響最小。土壤顆粒組成是影響土壤水分虧缺度和補(bǔ)償度的關(guān)鍵因素，而土壤粒徑分形維數(shù)能夠很好地表征土壤的顆粒組成。因此，可以采用土壤粒徑分形維數(shù)作為間接反映土壤水分虧缺度和補(bǔ)償度的指標(biāo)。

4 結(jié)論與討論

1) 本研究區(qū)地處黃土高原東部，刺槐、油松和側(cè)柏林地的土壤水分虧缺度均超過(guò)63%，而土壤水分補(bǔ)償度均小于32%.說(shuō)明黃土高原地區(qū)普遍存在雨水對(duì)土壤水分補(bǔ)償有限,土壤水分虧缺嚴(yán)重的情況。本研究分析表明黃土高原地區(qū)土壤水分虧缺度較大是由于黃土高原地區(qū)的氣候特點(diǎn)造成的。土壤顆粒組成不同導(dǎo)致林地的土壤孔隙度不同，不同林地的田間持水量和雨季前后的土壤含水量也不同，這是造成3種林地土壤水分虧缺度相近的原因。3種林地的土壤孔隙度不同，粘性土壤孔隙度小，降雨入滲量少，地表徑流量多；而砂性土壤孔隙度大，降雨入滲量多，地表徑流相對(duì)較少，這是造成不同林地土壤水分補(bǔ)償度之間存在差異的根本原因。

圖6 土壤粒徑分形維數(shù)與土壤水分虧缺度和補(bǔ)償度的相關(guān)性

2) 通過(guò)分析土壤分形維數(shù)與土壤水分虧缺度和補(bǔ)償度的相關(guān)性可知，土壤粒徑分形維數(shù)越大，土壤水分補(bǔ)償度越?。欢寥懒椒中尉S數(shù)與土壤水分虧缺度之間無(wú)顯著的相關(guān)性。因此，土壤粒徑分形維數(shù)也可以作為表征土壤水分補(bǔ)償度的指標(biāo)。

3) 黃土高原地區(qū)20 a林齡的刺槐、油松和側(cè)柏的根系均集中分布在地下100 cm深的土層內(nèi)，100 cm以下土層根系分布很少。研究區(qū)雨季后雨水下滲深度在100 cm左右，而且土層越深，下滲的水量越少。若100 cm土層內(nèi)的土壤水分不足，則油松和刺槐的毛細(xì)根將吸收更深層次的土壤水分，造成深層土壤水分虧缺。因此，采取適當(dāng)?shù)拇胧r蓄雨季時(shí)期徑流損失的雨水，以維持林地根系耗水層的水量平衡，改善和提高林地蓄水能力，對(duì)于緩解黃土高原深層土壤干化現(xiàn)象有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。